1、精選優質文檔-傾情為你奉上過程控制系統課程設計報告題目：溫度控制系統設計姓名：學號：班級：指導教師： 溫度控制系統設計一、設計任務設計電熱水壺度控制系統方案，使系統滿足85度至95度熱飲需要。二、預期實現目標通過按鍵設定溫度，使系統水溫最終穩定在設定溫度，達到控制目標。三、設計方案（一）系統數學模型的建立要分析一個系統的動態特性，首要的工作就是建立合理、適用的數學模型，這也是控制系統分析過程中最為重要的內容。數學模型時所研究系統的動態特性的數學表達式，或者更具體的說，是系統輸入作用與輸出作用之間的數學關系。在本系統中，被控量是溫度。被控對象是由不銹鋼水壺、2Kw電加熱絲組成的電熱壺。在實驗室，

2、給水壺注入一定量的水，將溫度傳感器放入水中，以最大功率加熱水壺，每隔30s采樣一次系統溫度，記錄溫度值。在整個實驗過程中，水量是不變的。經過試驗，得到下表所示的時間-溫度表：表1 采樣時間和對應的溫度值采樣時間t1234567溫度值19212836435057采樣時間t8910111213溫度值647279869398以采樣時間和對應的溫度值在坐標軸上繪制時間-溫度曲線，得到圖1所示的曲線：圖1 時間-溫度曲線采用實驗法階躍響應曲線法對溫箱系統進行建模。將被控過程的輸入量作一階躍變化，同時記錄其輸出量隨時間而變化的曲線，稱為階躍響應曲線。從上圖可以看出輸出溫度值的變化規律與帶延遲的一階慣性環節

3、的階躍曲線相似。因此我們選用 （式中：k為放大系數；T為過程時間常數；為純滯后時間）作為內膽溫度系統的數學模型結構。（1）k的求法：k可以用下式求得：（x：輸入的階躍信號幅值）（2）過程時間常數T和滯后時間可用兩點法求得：T=選取系統終值100，t1=90s，對應=0.36，t2=300s，對應=0.86得到K=0.8，T=138.1, =28.3系統開環傳遞函數：K=（二）基于MATLAB的PID仿真(1)PID控制算法目前大部分溫度控制器還是采用PID控制算法，PID控制是比例積分微分控制，PID控制是最早發展起來的、應用領域至今仍然廣泛的控制策略之一。它是基于對象數學模型的方法，尤其適用

4、于可建立精確數學模型的確定性控制系統。這種算法對固定參數的線性定常系統是非常有效的，一般都得到比較滿意的控制效果。其調節品質取決于PID控制器各個參數的整定，但是對不同的溫度控制對象要用不同的PID參數，而且參數整定比較麻煩。比例系數P對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減??；P偏大，振蕩次數加多，調節時間加長；P太大時，系統會趨于不穩定；P太小，又會使系統的動作緩慢。P可以選負數，這主要是由執行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果P的符號選擇不當對象測量值就會離控制目標的設定值越來越遠，如果出現這樣的情況P的符號就一定要取反。 積分控制I對系統性能的影響

5、：積分作用使系統的穩定性下降，I?。ǚe分作用強）會使系統不穩定，但能消除穩態誤差，提高系統的控制精度。 微分控制D對系統性能的影響：微分作用可以改善動態特性，D偏大時，超調量較大，調節時間較短；D偏小時，超調量也較大，調節時間也較長；只有D合適，才能使超調量較小，減短調節時間。 (2)仿真系統搭建和PID整定通過MATLAB的SIMULINK功能搭建系統仿真模型如圖2所示：圖2 系統仿真模型PID整定后的系統響應波形如圖3所示：圖3 系統響應波形（三）系統硬件設計系統的硬件設計采用直接交流調壓方式。通過雙向可控硅，對正弦電壓采用移向觸發控制。這種方式可以方便的調節電熱壺的輸入功率，減少控制主電

6、路的發熱損耗，提高系統電壓利用率和整體效率。系統主電路的電路圖如圖4所示：圖4 系統主電路電路圖系統控制電路采用AVRmega16單片機控制。通過采樣正弦電壓過零點，結合單片機的PWM輸出，對正弦電壓進行調制。系統控制電路的電路圖如圖5所示：圖5 系統控制電路的電路圖 控制電路將實際溫度和設定溫度顯示在4位數碼管上。分階段比較設定溫度和實際溫度的偏差，實現對溫度的精確控制。一旦達到設定溫度，系統自動停止加熱，一旦溫度低于設定溫度，系統自動施加電壓，始終保持設定溫度。（四）系統軟件設計系統軟件控制流程圖如圖6所示：開 始系統初始化顯示溫度和設定值執行中斷函數是否中斷YN圖6系統軟件控制流程圖四、實驗結果表二 設定值和實際值的關系設定值8586878889909192939495實際值8586878889909192939495試驗表明，系統能夠很好的跟隨給定值